Введение к работе
Работа посвящена исследованию закономерностей и механизмов воздействия низкочастотных аксиальных вибраций кристалла на тепломассоперенос при выращивании кристаллов из расплава, а также их влияния на макро- и микронеоднородность кристаллов, выращенных методом Чохральского с вибрационным воздействием.
Актуальность работы. Возрастающая потребность современной науки и техники во все более совершенных монокристаллах новых материалов обусловливает необходимость модернизации и усовершенствования методов их выращивания. На практике уже находят применение различные управляющие воздействия на гидродинамику и тепломассообмен в расплаве, способствующие получению монокристаллов с улучшенными характеристиками. К числу таких воздействий можно отнести вибрационное воздействие низкой частоты.
После опубликования в середине 50-х г.г. первых работ, интерес к низкочастотным вибрациям как к средству воздействия на совершенство кристаллов, выращиваемых из расплава, возобновлялся неоднократно. В ряде работ получены данные о положительном влиянии вибраций на свойства кристаллов. Однако предположения, высказанные о механизме действия вибраций, не получили достаточно убедительных подтверждений. В связи с этим, представляет интерес дальнейшее изучение обнаруженного ранее явления образования под действием низкочастотных вибраций крупномасштабных вихревых течений жидкости. Эти течения, локализуясь вблизи фронта кристаллизации, могут оказывать определяющее влияние на тепломассообмен в данной области, и, следовательно, на свойства растущего кристалла. Проведенные до сих пор исследования'в этом-направлении носили в основном предварительный характер. Недостаточно исследованы особенности гидродинамики расплава в окрестности вибрирующего кристалла. Остаются практически неизученными вопросы влияния вибраций кристалла на процессы конвективного теплообмена в расплаве.
Цель и задачи исследования. Целью работы является изучение закономерностей тепломассообмена в методе Чохральского при
наложении на кристалл аксиальных вибраций низкой частоты. В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
проведение физического моделирования воздействия вибраций на гидродинамику и теплоперенос в жидкой фазе в широком диапазоне изменения вибрационных, тепловых и геометрических параметров;
определение общих закономерностей формирования объемных и поверхностных структур течения расплава в условиях приложенного к кристаллу вибрационного воздействия;
определение характера влияния вибраций кристалла на процессы теплообмена у фронта кристаллизации;
рост кристаллов методом Чохральского с наложением вибраций, параметры которых выбраны в соответствии с результатами физического моделирования, анализ воздействия вибраций на макро- и микроструктуру кристаллов.
Научная новизна. В работе впервые проведено полное систематическое исследование вибрационных течений в широком диапазоне параметров вибрации, свойств жидкости и геометрии системы.
Обнаружено образование под действием вибраций крупномасштабных вихревых течений на свободной поверхности жидкости.
Установлено, что с помощью вибраций можно подавлять температурные флуктуации вблизи фронта кристаллизации, вьпванные неустойчивостью тепловой конвекции.
Показана возможность формирования температурных градиентов вблизи фронта кристаллизации под действием низкочастотных осевых вибраций кристалла.
Продемонстрирована корреляция улучшения однородности кристаллов, выращенных с наложением вибраций, с результатами физического моделирования процесса.
Практическая ценность. В результате проведенных исследований научно обоснована возможность применения вибраций для управления тепломассопереносом при росте кристаллов из расплава.
Определены режимы вибрационного воздействия, приводящие к существенному улучшению качества кристаллов.
Установлена возможность применения вибраций для управления термо- и концентрационно- капиллярными течениями.
Практическое значение имеет также возможность применения вибраций в различных жидкофазных технологиях для эффективного перемешивания многокомпонентных жидкостных систем.
Разработки, полученные в диссертации, внедрены в ИОФ РАН при выращивании высокотемпературных лазерных кристаллов и использованы в работах ИПМ РАН по изучению фундаментальных закономерностей вибрационных течений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на 3-й Европейской конференции по росту кристаллов (Будапешт, 1991 г.), на 2-м Советско-Индийском симпозиуме по росту и характеризации кристаллов (Москва, 1991 г.), на 8-й Всесоюзной конференции по росту кристаллов (Харьков, 1992 г.), на 10-й Международной конференции по росту кристаллов (Сан-Диего, 1992 г.), на Международном семинаре по негравитационным механизмам конвекции (Звенигород, 1994 г.), на 11-й Международной конференции по росту кристаллов (Гаага, 1995 г.), на 2-й Международной конференции по кристаллизации и гравитации (Мишкольц, 1995 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований
опубликовано 11 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, списка литературы, приложения. Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков и 5 таблиц. Список литературы включает 101 наименование.
